專(zhuān)利名稱(chēng)：一種光纖氫氣傳感器用氫敏材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫氣傳感器，特別是涉及一種光纖氫氣傳感器用氫敏材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
氫氣作為一種清潔高效的可再生性能源，已廣泛應(yīng)用于飛行器、車(chē)輛和船舶等的助推裝置中，被稱(chēng)為21世紀(jì)能源體系的支柱。除了能源領(lǐng)域，氫氣還在高純度硅晶體生產(chǎn)、 含氫成分化工產(chǎn)品生產(chǎn)、玻璃生產(chǎn)、石油提煉、金屬焊接、低溫冷卻和化學(xué)合成等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但氫氣本身又是一種易燃易爆氣體，在常溫常壓下，當(dāng)空氣中氫氣的含量位于 4% -74. 5%之間時(shí)，就有可能引起爆炸事故，威脅人身財(cái)產(chǎn)安全。因此，對(duì)氫氣在生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中的泄漏檢測(cè)就顯得尤為重要。研究一種安全、可靠、靈敏度高的氫氣傳感器具有十分重要的意義。光纖傳感器以其特有的安全性，穩(wěn)定性，抗干擾性，一直來(lái)時(shí)都是氫氣檢測(cè)時(shí)的首選傳感器。影響光纖氫氣傳感器的最重要因素就是其中的氫敏材料。 這種材料要求對(duì)氫氣的選擇性強(qiáng)、抗氫脆效果好、響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度高、漂移量小、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)性好。
目前，光纖氫氣傳感器用氫敏材料主要是純鈀及鈀合金薄膜。純鈀膜對(duì)氫氣反應(yīng)十分敏感。但是，在通入氫氣幾次之后，容易出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，發(fā)生起泡、破裂和脫落，這主要是純鈀膜在氫氣作用下發(fā)生了從α到β的相變[K. Kalli，A. Othonos and C. Christofides, Characterization of reflectivity inversion, α -and β -phase transitions and nanostructure formation in hydrogen activated thin Pd films on silicon based substrates, journal of applied physics,2002, (91) :3829_3840]o 純鈀膜除了氫脆之外漂移明顯，很難完成對(duì)氫氣傳感器的標(biāo)定。在鈀中參入一定量的銀， 可以有效地抑制鈀膜從α到β的相變，從而防止鈀膜破裂和脫落[Hu JD, Jiang M，Lin ZL, Novel technology for depositing a Pd-Ag alloy film on a tapered optical fibre for hydrogen sensing, journal of optics a-pure and applied optics,2005, (10) :593-598],但是這種鈀/銀合金膜也存在著漂移現(xiàn)象。鈀/金合金膜，大大抑制了傳感器的零點(diǎn)漂移。鈀/金膜的零點(diǎn)漂移在0.5%以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)小于純鈀。但是這種膜響應(yīng)時(shí)間較慢，約為3分鐘，信號(hào)靈敏度很低，通入4%的氫氣，其折射率僅有千分之5的變化 [Donato Luna-Moreno,David Monzon-Hernandez, Joel Villatoro,et al· Opotical fiber hydrogen senor based on core diameter mismatch and annealed Pd-Au thin films， Sensors and Actuators B，2007，125 :66-71]，限制了其在高精度氫氣傳感器方面的應(yīng)用。鈀/三氧化鎢復(fù)合膜水蒸氣等抗干擾性較強(qiáng)，但是也存在漂移和氫脆現(xiàn)象[Minghong YangiYan Sun，Dongsheng Zhang,et al· Using Pd/W03 composite thin films as sensing materials for optical fiber hydrogen sensors， Sensors and Actuators B，2010， 143(2) :750-753] ο發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種對(duì)氫氣選擇性強(qiáng)、 抗氫脆效果好、響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度高、漂移量小、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)性好的氫氣傳感器用氫敏薄膜材料；本發(fā)明的另一目的在于提供一種氫氣傳感器用氫敏薄膜材料的制備方法。
本發(fā)明提供的一種光纖氫氣傳感器用氫敏材料，其特征在于，該薄膜材料包括基底和合金薄膜；
所述的基底的材料為金屬、半導(dǎo)體或絕緣體材料；
所述的合金薄膜材料基本成分為Pd和Y，化學(xué)組成為Pdhj^YuCiw，其中α為 Pt、Ag、Au、Ni、Cu、Al、Li和B中的任一種，或者為L(zhǎng)a、Ru、Ce、Pr、Nd和Pm中的至少一種，0 < χ ^ 0. 3,0 ^ y ^ 0. 3 ；
所述的合金薄膜材料厚度2 lOOOnm。
上述光纖氫氣傳感器用氫敏材料的制備方法，其特征在于首先用感應(yīng)熔煉或粉末冶金方法預(yù)制合金靶，然后通過(guò)物理氣相層積方法，在基片上制成合金薄膜材料；或者利用多個(gè)純靶材，直接在基片材料上多靶共濺層積，制成合金薄膜材料。
所述的物理氣相層積方法包括濺射鍍膜法，真空蒸發(fā)鍍膜法，真空離子鍍膜法。
本氫氣傳感器用氫敏薄膜材料配上信號(hào)源和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)就制成了氫氣傳感器。 傳感器的氫敏材料與氫氣接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可導(dǎo)致其物理性能和化學(xué)性能的變化，如薄膜尺寸、折射率、反射率等發(fā)生變化，這些性能的改變均可用來(lái)檢測(cè)氫氣的濃度。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)本氫氣傳感器用薄膜材料，通過(guò)以上制備方法，在Pd基礎(chǔ)上，摻入Y等元素，形成容易吸氫、放氫，又不容易破裂的納米薄膜。該薄膜在作氫敏傳感材料時(shí)，響應(yīng)速度快，靈敏度高，抗氫脆性好，穩(wěn)定性好，制作簡(jiǎn)便，成本低。利用本材料可以制成小巧、輕便的光纖氫氣傳感器，具有抗干擾能力強(qiáng)，安全性好，可靠性高的特點(diǎn)?？蓮V泛用于各種需要檢測(cè)氫氣泄露的情況。


圖1是光纖氫氣傳感器用氫敏材料結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，1為合金薄膜，2為基底材料；
圖2是玻璃基片上鍍合金薄膜的外觀圖3是合金薄膜在掃描電子顯微鏡下觀測(cè)圖4是利用氫敏薄膜制成的反射式光纖氫氣傳感器在通、放氫過(guò)程中的響應(yīng)曲線圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本氫氣傳感器用氫敏薄膜材料，其特征在于薄膜材料包括基底和合金薄膜組成；基底起承載作用和引導(dǎo)晶粒生長(zhǎng)作用，合金薄膜起傳感作用。
所述的基底為金屬、半導(dǎo)體或絕緣體材料做成的薄片、塊體、光纖、光柵。
所述的合金薄膜材料基本成分為Pd和Y?；瘜W(xué)組成為PdhyYw α W，其中α為 Ag、Au、Ni、Cu、Al、Li、B、La、Ru、Ce、Pr、Nd、Pm 或者混合稀土，0 < χ 彡 0. 3，0 彡 y 彡 0. 3。
所述的合金薄膜材料厚度為2 lOOOnm。
所述的合金薄膜材料制備方法，其特征在于首先用超聲清洗基底，然后用物理氣相沉積的方法，在基底材料上制成合金薄膜材料。
所述的物理氣相方法包括濺射鍍膜法，真空蒸發(fā)鍍膜法，真空離子鍍膜法。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明
實(shí)施例1
利用感應(yīng)熔煉或粉末冶金制得合金靶，成分為Pda8Ya2。通過(guò)磁控濺射在玻璃上制成合金薄膜材料，如圖1至3所示，合金薄膜材料厚度為50nm。圖1是氫敏材料結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是鍍膜之后玻璃基片的外觀圖。圖3是合金薄膜的掃描電鏡圖。將氫敏薄膜配合光源系統(tǒng)、光纖傳光系統(tǒng)和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)制成光纖氫氣傳感器。利用薄膜反射率的變化檢測(cè)氫氣濃度。圖4是對(duì)氫敏薄膜反復(fù)通、放4%氫氣時(shí)傳感器的輸出響應(yīng)。
實(shí)施例2
利用感應(yīng)熔煉或粉末冶金制得純Pd靶(純度99. 99 %)和純釔靶(純度 99.99%)。通過(guò)多靶共濺設(shè)備在玻璃上進(jìn)行濺射。制得成分為Pda85Yai5的合金薄膜材料。 合金薄膜材料厚度為40nm。
實(shí)施例3
利用感應(yīng)熔煉或粉末冶金制得純Pd靶(純度99. 99 %)和純釔靶(純度 99.99%)。通過(guò)多靶共濺設(shè)備在光纖光柵上進(jìn)行濺射。制得成分為Pda85Yai5的合金薄膜。 合金薄膜材料厚度為30nm。
實(shí)施例4
利用感應(yīng)熔煉或粉末冶金制得合金靶，成分為Pda8YaiAlaitl通過(guò)磁控濺射在玻璃上制成合金薄膜材料。合金薄膜材料厚度為50nm。
權(quán)利要求
1.一種光纖氫氣傳感器用氫敏材料，其特征在于，該薄膜材料包括基底和合金薄膜；所述的基底的材料為金屬、半導(dǎo)體或絕緣體材料；所述的合金薄膜材料基本成分為Pd和Y，化學(xué)組成為PdhyYwCiw，其中α為Pt、 Ag、Au、Ni、Cu、Al、Li和B中的任一種，或者為L(zhǎng)a、Ru、Ce、Pr、Nd和Rn中的至少一種，0 < χ ^ 0. 3,0 ^ y ^ 0. 3 ；所述的合金薄膜材料厚度2 lOOOnm。
2.—種權(quán)利要求1所述的光纖氫氣傳感器用氫敏材料的制備方法，其特征在于首先用感應(yīng)熔煉或粉末冶金方法預(yù)制合金靶，然后通過(guò)物理氣相層積方法，在基片上制成合金薄膜材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氫氣傳感器用氫敏材料的制備方法，其特征在于所述的物理氣相層積方法包括濺射鍍膜法，真空蒸發(fā)鍍膜法，真空離子鍍膜法。
4.權(quán)利要求1所述的氫氣傳感器用氫敏材料的制備方法，其特征在于利用多個(gè)純靶材，直接在基片材料上多靶共濺層積，制成合金薄膜材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光纖氫氣傳感器用氫敏材料及其制備方法。該薄膜材料包括基底和合金薄膜；基底的材料為金屬、半導(dǎo)體或絕緣體材料；合金薄膜材料基本成分為Pd和Y，化學(xué)組成為Pd[1-x-y]Y[x]α[y]，其中α為Pt、Ag、Au、Ni、Cu、Al、Li和B中的任一種，或者為L(zhǎng)a、Ru、Ce、Pr、Nd和Pm中的至少一種，0＜x≤0.3，0≤y≤0.3；合金薄膜材料厚度2～1000nm。制備方法，首先用感應(yīng)熔煉或粉末冶金方法預(yù)制合金靶，然后通過(guò)物理氣相層積方法，在基片上制成合金薄膜材料；或者利用多個(gè)純靶材，直接在基片材料上多靶共濺層積，制成合金薄膜材料。光纖氫氣傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)，安全性好，可靠性高的特點(diǎn)?？蓮V泛用于各種需要檢測(cè)氫氣泄露的情況。
文檔編號(hào)G01N21/75GK102495045SQ201110349618
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者劉繄, 宋涵, 張岡, 楊吉祥, 陳幼平 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)